CN113682956A - 用于智能塔吊的物料环境状况自动识别分析方法及其*** - Google Patents

Abstract

本申请公开了用于智能塔吊的物料环境状况自动识别分析方法及其***，首先在吊运件的吊运过程中实时采集吊运件附近的气流状况，然后基于吊运件的受风面积、上一时刻的所述气流状况以及当前吊运阶段得到吊运件当前的偏摆状态，然后基于所述气流状况的当前变化情况以及吊运阶段的阶段切换情况对吊运件的所述偏摆状态进行预测，最后在预测出的偏摆角度达到超角阈值时，对当前吊运阶段下执行机构的与吊运件预期运动相关的执行参数进行预下调至预测偏摆角度低于超角阈值，而在预测出的偏摆角度不大于微角阈值时，对当前吊运阶段下执行机构的与吊运件预期运动相关的执行参数进行在参数许可范围内的预上调。该方法能够提高吊具和物料的稳定性。

Description

用于智能塔吊的物料环境状况自动识别分析方法及其***

技术领域

本申请涉及环境识别技术领域，特别涉及用于智能塔吊的物料环境状况自动识别分析方法及其***。

背景技术

塔吊，又称塔式起重机，是建筑工地上常用的一种起重设备，作用是吊运施工所需的钢筋、木楞、混凝土、钢管等建材物料。在塔吊的机械结构中，实际对物料进行起吊的执行机构是吊钩，在每次对物料进行吊运之前，吊钩先受滑轮控制下降到物料的上方附近，物料已经承装到堆料区的吊具内或打包到堆料区的吊具上，吊具上套有钢索或连接结构作为吊具的提拉部分，以该提拉部分作为与吊钩套接的媒介，该提拉部分会被搭放到吊钩的内侧钩状表面上，然后吊钩受滑轮控制起升，提拉部分并带动吊具及其内或其上的物料离地上升。

在吊运过程中，转载有物料的吊具会受到外界环境施加的影响，例如受气流影响而摆动，另外，吊运过程的进行也会对吊具产生状态改变，例如塔吊带动吊具升降和转向时会改变吊具的位置高度和朝向。上述外界环境施加的影响和吊具自身的状态改变，反过来也会对吊运过程产生影响，并可能作为吊运过程中的不稳定因素导致吊具的不稳定，甚至可能影响到对吊具状态的观测能否顺利进行，因此，对吊运过程中的环境状态检测和识别是目前亟需解决的一个问题。

发明内容

基于此，为了提高吊具在吊运过程中的稳定性，避免钢索和吊具发生损坏，提高对吊具状态进行观测的质量，本申请公开了以下技术方案。

一方面，提供了一种用于智能塔吊的物料环境状况自动识别分析方法，包括：

在吊运件的吊运过程中实时采集吊运件附近的气流状况，其中，所述气流状况包括受风风向和受风风速；

基于吊运件的受风面积、上一时刻的所述气流状况以及当前吊运阶段得到吊运件当前的偏摆状态，其中所述偏摆状态包括偏摆方向和偏摆角度；

基于所述气流状况的当前变化情况以及吊运阶段的阶段切换情况对吊运件的所述偏摆状态进行预测；

在预测出的偏摆角度达到超角阈值时，对当前吊运阶段下执行机构的与吊运件预期运动相关的执行参数进行预下调至预测偏摆角度低于超角阈值，而在预测出的偏摆角度不大于微角阈值时，对当前吊运阶段下执行机构的与吊运件预期运动相关的执行参数进行在参数许可范围内的预上调。

在一种可能的实施方式中，所述基于吊运件的受风面积、上一时刻的所述气流状况以及当前吊运阶段得到吊运件当前的偏摆状态，包括：

基于吊运件所处的当前吊运阶段获取吊运件的基础姿态；

建立与所述受风风向垂直的扫掠平面，通过所述扫掠平面对所述基础姿态下的吊运件进行扫掠，将扫掠得到的最大截面面积作为受风面积；

基于所述受风风速和所述受风面积得到吊运件受气流的推力；

基于所述推力和所述吊运件的重量得到偏摆状态。

在一种可能的实施方式中，所述基于所述气流状况的当前变化情况以及吊运阶段的阶段切换情况对吊运件的所述偏摆状态进行预测，包括：

获取所述气流状况变化后的受风风向和受风风速，以及获取一定时间后的阶段切换情况，其中，阶段切换情况包括无需启动切换、即将启动切换和正在切换；

得到吊运件在所述变化后的受风风向和受风风速下受到的推力及其方向，并得到吊运件在所述一定时间后的阶段切换情况下受到的牵引力及其方向；

基于所述推力及其方向和所述牵引力及其方向预测吊运件的偏摆状态。

在一种可能的实施方式中，在进行所述偏摆状态的预测时，还基于当前吊运阶段下执行机构所处的吊运速度段进行偏摆状态的预测，其中，所述吊运速度段包括加速段、匀速段、减速段和停止段。

在一种可能的实施方式中，该方法还包括：

依据吊运任务中包含的吊运路线得到图像采集设备的朝向变化，其中，所述图像采集设备安装于吊运件或塔吊组件上，用于对吊运件进行图像采集；

基于环境中光源的位置得到光源与图像采集设备之间的相对位置；

基于所述吊运件的预下调后的偏摆状态得到图像采集设备在所述朝向变化中的预测朝向，并基于所述预测朝向和所述相对位置调节图像采集设备的朝向，避免图像采集设备直接朝向光源。

另一方面，还提供了一种用于智能塔吊的物料环境状况自动识别分析***，包括：

气流状况采集模块，用于在吊运件的吊运过程中控制气流状况采集设备实时采集吊运件附近的气流状况，其中，所述气流状况包括受风风向和受风风速；

当前偏摆状态获取模块，用于基于吊运件的受风面积、上一时刻的所述气流状况以及当前吊运阶段得到吊运件当前的偏摆状态，其中所述偏摆状态包括偏摆方向和偏摆角度；

未来偏摆状态预测模块，用于基于所述气流状况的当前变化情况以及吊运阶段的阶段切换情况对吊运件的所述偏摆状态进行预测；

执行参数调整模块，用于在预测出的偏摆角度达到超角阈值时，对当前吊运阶段下执行机构的与吊运件预期运动相关的执行参数进行预下调至预测偏摆角度低于超角阈值，而在预测出的偏摆角度不大于微角阈值时，对当前吊运阶段下执行机构的与吊运件预期运动相关的执行参数进行在参数许可范围内的预上调。

在一种可能的实施方式中，所述当前偏摆状态获取模块包括：

基础姿态获取单元，用于基于吊运件所处的当前吊运阶段获取吊运件的基础姿态；

受风面积获取单元，用于建立与所述受风风向垂直的扫掠平面，通过所述扫掠平面对所述基础姿态下的吊运件进行扫掠，将扫掠得到的最大截面面积作为受风面积；

气流推力计算单元，用于基于所述受风风速和所述受风面积得到吊运件受气流的推力；

偏摆状态计算单元，用于基于所述推力和所述吊运件的重量得到偏摆状态。

在一种可能的实施方式中，所述未来偏摆状态预测模块，包括：

信息获取单元，用于获取所述气流状况变化后的受风风向和受风风速，以及获取一定时间后的阶段切换情况，其中，阶段切换情况包括无需启动切换、即将启动切换和正在切换；

受力计算单元，用于得到吊运件在所述变化后的受风风向和受风风速下受到的推力及其方向，并得到吊运件在所述一定时间后的阶段切换情况下受到的牵引力及其方向；

偏摆状态预测单元，用于基于所述推力及其方向和所述牵引力及其方向预测吊运件的偏摆状态。

在一种可能的实施方式中，所述偏摆状态预测单元在进行所述偏摆状态的预测时，还基于当前吊运阶段下执行机构所处的吊运速度段进行偏摆状态的预测，其中，所述吊运速度段包括加速段、匀速段、减速段和停止段。

在一种可能的实施方式中，该***还包括：

图像采集设备，安装于吊运件或塔吊组件上，用于对吊运件进行图像采集；

朝向变化获取模块，用于依据吊运任务中包含的吊运路线得到图像采集设备的朝向变化；

相对位置获取模块，用于基于环境中光源的位置得到光源与图像采集设备之间的相对位置；

朝向调节模块，用于基于所述吊运件的预下调后的偏摆状态得到图像采集设备在所述朝向变化中的预测朝向，并基于所述预测朝向和所述相对位置调节图像采集设备的朝向，避免图像采集设备直接朝向光源。

本申请公开的用于智能塔吊的物料环境状况自动识别分析方法及其***，通过对塔吊上正在吊运的物料的周围环境进行检测，尤其是对气流环境进行检测，得到环境中可能对物料的吊运产生影响的参数状况，并同时基于该参数状况和物料当前所处的吊运阶段来预测出物料共同受两者影响的程度，尤其是产生的摇晃、偏摆的程度，进而通过预测结果来预知环境和吊运阶段共同作用下可能对吊运过程产生的危害，尤其是钢索摩擦过多而损坏、物料打转、物料绕圈转动难以落地、塔吊结构不稳等危害，此时即可以通过在危害未发生之前就通过控制塔吊的吊运参数，尤其是速度控制方面的参数，来使物料的受影响程度降至安全区间，也就是通过预测和参数预调节来避免危害的发生，提高吊具和物料的稳定性。

附图说明

以下参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释和说明本申请，而不能理解为对本申请的保护范围的限制。

图1是本申请公开的用于智能塔吊的物料环境状况自动识别分析方法实施例的流程示意图。

图2是料箱及其上的扫掠平面的示意图。

图3是显示扫掠得到的最大面积截面的料箱剖视示意图。

图4是料箱在起升阶段竖直上升且未受到气流影响时的示意图。

图5是料箱在在起升阶段竖直上升且受到气流影响后的偏摆状态示意图。

图6是本申请公开的用于智能塔吊的物料环境状况自动识别分析***实施例的结构框图。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。

下面参考图1-图5详细描述本申请公开的用于智能塔吊的物料环境状况自动识别分析方法实施例。如图1所示，本实施例公开的方法包括如下步骤100至步骤400。

步骤100，气流状况采集模块在吊运件的吊运过程中控制气流状况采集设备实时采集吊运件附近的气流状况。

吊运件指的是装载有物料的吊具，物料可以是圆钢管柱、工字钢、水泥包、砖瓦、玻璃、水管、罐装涂料、机械设备等，而吊具可以采用木制托盘或钢制托盘，或者采用木质箱体或钢制箱体。

由于吊运件在起吊之后，会受到空中气流的影响而偏摆，为了得到偏摆的情况，就需要得到吊运件受到气流的影响情况。所述气流状况具体可以包括受风风向和受风风速，采集气流状况的气流状况采集设备可以是风速传感器和风向传感器。风速传感器和风向传感器可以安装在吊具上，也可以安装在塔吊的吊钩或其他与吊具距离较近的结构上。

可以理解的是，通常情况下，吊具在吊运过程中是不会发生自转的，对于一些塔吊的吊钩来说，吊钩上设有能够固定钢索或其他的吊具用来与吊钩连接的组件的装置，能够几乎避免钢索或连接组件在水平方向上转动，也就使得吊具的实际自转角度小到可以忽略不计。而对于未设有固定装置的吊钩来说，通过将吊运过程中的升降速度、转向速度等进行控制，也能几乎避免吊具发生自转。因此，风向传感器不会因为吊具在吊运过程中发生的极小量自转而影响风向的测量数据准确性。

步骤200，当前偏摆状态获取模块基于吊运件的受风面积、上一时刻的所述气流状况以及当前吊运阶段得到吊运件当前的偏摆状态。

吊运件的受风面积指的是吊运件在当前姿态下受到气流影响的有效面积。通过吊运阶段可以得到吊运件在只受到吊运影响时的姿态，由于吊运件发生偏摆的贡献力度最大的原因由吊运阶段引起，气流影响只是次要因素，因此将只受到吊运影响时的姿态作为当前姿态（当前时刻的姿态），也就是受风时的姿态，与风向相结合并进行运算，即可得到受风面积。

吊运件虽然不会发生自转现象，但由于在吊运过程中涉及到转向和受气流影响等方面，因此会发生偏摆，并且吊运件所处的吊运阶段不同也会对偏摆状态产生影响，所述偏摆状态具体可以包括偏摆方向和偏摆角度，偏摆方向指的是吊运件偏离原位置的偏离方向，偏摆角度指的是以滑轮为圆心时偏离方向与原位置之间的夹角。

例如，在吊运阶段中的吊运件起升阶段，滑轮控制吊绳（连接滑轮与吊钩）带动吊钩起升时，吊运件也随之起吊，当起吊过程中上一时刻有横向或斜向的气流经过吊运件时，吊运件在下一时刻会因为受到气流的推力而发生一定程度的偏摆，偏摆时吊绳会从与垂直于地面的重心线相重合的状态变为与重心线之间存在一个夹角，该夹角就是偏摆角度，该夹角相对于重心线的方向就是偏摆方向，其中，起吊过程中偏摆方向的影响因素主要是受风风向，并且偏摆方向与受风风向相同，而偏摆角度的影响因素主要是受风风速和受风面积，受风风速越大，受风面积越大，则偏摆角度越大。此时的偏摆状态仅由于气流的影响而产生。

又例如，在吊运阶段中的水平转向阶段，当滑轮将吊运件起吊到一定高度后，在保持高度不变的情况下，回转机构带动吊臂进行水平转动，从而带动吊运件进行圆周运动，此时由于圆周运动时吊运件受到向心力，因此同样会发生一定程度的偏摆，以及吊绳与重心线之间同样会存在一个夹角，该夹角就是偏摆角度，该夹角相对于重心线的方向就是偏摆方向，其中，转向过程中偏摆方向的影响因素主要是回转方向，并且偏摆方向与回转方向相同，而偏摆角度的影响因素主要是回转速度，回转速度越大则偏摆角度越大。此时的吊运件由于未受到任何气流影响，因此偏摆状态仅由于吊运阶段的吊运而产生。

可以理解的是，在上述水平转向阶段或其他可能使吊运件受到水平方向力的阶段中，可能也会遇到横向或斜向的气流，因此下一时刻的偏摆状态是气流和吊运阶段的实施共同产生的，并且偏摆状态的结果也是由该两者各自的影响之和。并且需要说明的是，本步骤200得到的偏摆状态为瞬时状态，对应于一个瞬时气流状况。

需要说明的是，采用上一时刻的气流状态而不是当前时刻的气流状态来得到当前偏摆状态的原因是，气流状态产生的影响均存在一定延迟，因此上一时刻的气流状态在当前时刻才能够体现到吊运件的偏摆状态上，而当前时刻的气流状态需要到下一时刻才能体现到吊运件的偏摆状态上，因此对于气流需要利用上一时刻的数据来进行计算。

步骤300，未来偏摆状态预测模块基于所述气流状况的当前变化情况以及吊运阶段的阶段切换情况对吊运件的所述偏摆状态进行预测。

空中的气流状况是会发生变化的，并且有时候变化会发生在极短的时间内，例如t1时刻为1m/s的水平东南风，而t2时刻突然变为了4 m/s的同向风，因此气流状况的当前变化情况为风向不变，风速增加3 m/s。当然，气流状况也可能是缓慢变化，例如从t3时刻开始4 m/s的风速变缓直至当前t10时刻降到1.5 m/s，并且还有可能继续缓慢下降。

由于吊运件的运动存在惯性，吊运件从受到气流的影响直到达到新的位置平衡状态是需要一定时间的，例如风速从1m/s增至4 m/s只用了0.2s的时间，假设该4 m/s的风速会一直保持下去，则吊运件的摇摆角度从风速1m/s时的角度增至风速4 m/s时的角度且稳定下来则可能需要用时2s，该2s即偏摆状态改变时间，也就是吊运件的反应时间，2s后吊运件达到新的受力平衡状态，位置也不再改变，除非吊运速度或气流状态再次改变。关于一个时刻的时间长度，可以将吊运件对气流状态变化的反应时间作为一个时刻的时间长度，如最小反应时间、平均反应时间等等。

由此，在该反应时间内可以进行偏摆状态的预测，并在吊运件达到与该气流变化相应的偏摆状态之前得到预测结果，如当风速从1m/s开始变化后，每隔一段单位时间进行一次预测，或者每当风速或风向的变化程度达到了风速变化阈值或风向变化阈值，则进行一次预测，并得到预测结果，若风向或风速持续处于变化中，则预测也可以随之进行多次，得到多个不同时间的预测结果。

除了气流状况的变化外，吊运阶段的过渡和切换同样会触发偏摆状态的预测，例如当吊运阶段正在从起升阶段切换为转向阶段时，或者正在转向阶段和平移阶段（变幅小车移动）之间进行切换，或者正在从平移阶段或转向阶段切换为下降阶段时，等等，因为阶段的变化和切换表示摇摆状态会发生变化，因此需要进行预测。

需要说明的是，在气流状态方面，是利用上一时刻来得到当前偏摆状态，并用当前时刻来预测下一时刻偏摆状态，而在吊运阶段方面，由于吊运阶段引起的偏摆影响相对于气流状态引起的偏摆影响来说要快的多，因此将吊运阶段产生的偏摆影响视为瞬时生效的影响，因此是利用当前时刻吊运阶段来得到当前偏摆状态，并利用下一时刻即将发生的吊运阶段来预测下一时刻偏摆状态。

具体对偏摆状态进行预测时，主要是依据气流变化情况和吊运阶段变化情况对当前偏摆状态的影响进行估计。若在起升阶段出现风速增大且风向不变的情况，则偏摆角度增大，偏摆方向不变；若在起升阶段出现风速增大但风向与之前相反的情况，则偏摆角度可能先减小后增大，偏摆方向与之前相反，也就是吊运件从原先偏摆侧摆动至对向偏摆侧；若在转向阶段，风速增大且风向始终与转动方向大致相同，则偏摆角度减小，甚至有可能因为风速过大而抵消掉转向带来的偏摆使得偏摆角度先减小后增大（顺风），偏摆方向与之前大致相反。

步骤400，执行参数调整模块在预测出的偏摆角度达到超角阈值时，对当前吊运阶段下执行机构的与吊运件预期运动相关的执行参数进行预下调至预测偏摆角度低于超角阈值，而在预测出的偏摆角度不大于微角阈值时，对当前吊运阶段下执行机构的与吊运件预期运动相关的执行参数进行在参数许可范围内的预上调。

无论偏摆方向如何变化，偏摆角度均不能过大，否则会影响吊运过程的顺利进行，例如转向阶段时转向速度过高使得偏摆角度过大，则钢索与吊钩之间就会产生较大的摩擦，可能导致吊运件自身打转，可能导致吊运件长时间绕圈转动使得难以平稳下降至指定地点，进而损害到塔吊的结构稳定性。

因此设置超角阈值来对偏摆角度进行是否达到危害程度的判断，若预测出偏摆角度会超过超角阈值，则无论达到超角阈值的时间会维持多久，一旦预测出之后某一时刻偏摆角度会增大到大于等于超角阈值，就说明可能发生损害吊运顺利进行的情况，因此立即调节相关参数来降低偏摆角度，使得预测的偏摆角度低于超角阈值。这里的相关参数指的是当前吊运阶段下执行机构的与吊运件预期运动相关的执行参数，例如当前吊运阶段为变幅阶段，则执行机构主要是变幅机构，而与吊运件预期运动相关的执行参数主要包括变幅移动速度，也可以是变幅移动加速度，当前t0时刻的风速突然变大导致预测出t1时刻偏摆角度会增大并且达到超角阈值，因此立即开始降低变幅移动速度或变幅移动加速度，等到预测的会达到超角阈值时刻（t1时刻）到来时，由于预先降低了变幅移动速度，因此即使在风速变大后对吊运件的影响达到了平衡状态，该平衡状态也会因为变幅移动速度的下降而抵消了部分甚至全部的风速变大带来的作用，使得t1时刻吊运件在变幅机构和气流共同作用下的偏摆角度依旧能够不达到超角阈值。

而设置微角阈值的原因是为了提高调运效率，当处于存在带动吊运件进行水平方向移动的吊运阶段时，若偏摆角度非常小，小至未达到微角阈值（微角阈值小于超角阈值），则可以提高执行机构的执行速度，实现既能够提高吊运效率又能够保证吊运的安全性和稳定性，但提高后的执行速度不能使得预测偏摆角度达到超角阈值，否则说明上调的幅度过高。

可以理解的是，调节与吊运件预期运动相关的执行参数时，可以按照偏摆角度与相应阈值之间的差值大小来确定调节速度的快慢，差距越大则调节速度需要越快，否则无法在预测的时刻到来前将执行参数下降至安全区域，而差距越小则调节速度可以越慢。

具体的，假设当前处于变幅阶段，t0时刻变幅小车正在带动吊运件沿吊臂向靠近末端的方向移动，t0时刻无气流吹过，偏摆方向为朝向远离吊臂末端的方向，偏摆角度为γ0，γ0大于微角阈值但小于超角阈值；当前时刻（t1时刻）突然检测到有风向为平行于变幅小车移动方向的气流，则可预测出t2时刻吊运件受气流的推力产生了朝向靠近末端的方向的移动量，也就是减小了偏摆角度，并且减小至低于微角阈值，得到该预测结果后，可以在t1时刻在气流的帮助下增大变幅小车的移动速度，只要小车移动速度不超过许可速度并且不会使偏摆角度增大至达到超角阈值即可，这样在t2时刻就能够使吊运件既能提速又不会超出超角阈值。可以理解的是，若气流在小车提速的过程中再次发生变化，气流重新恢复至无风，且提速会导致偏摆角度超出超角阈值，则立即对小车进行降速处理，直至偏摆角度在若不降速则会超出超角阈值的预期超出时刻并不会达到超角阈值。

本实施例通过对塔吊上正在吊运的物料的周围环境进行检测，尤其是对气流环境进行检测，得到环境中可能对物料的吊运产生影响的参数状况，并同时基于该参数状况和物料当前所处的吊运阶段来预测出物料共同受两者影响的程度，尤其是产生的摇晃、偏摆的程度，进而通过预测结果来预知环境和吊运阶段共同作用下可能对吊运过程产生的危害，尤其是钢索摩擦过多而损坏、物料打转、物料绕圈转动难以落地、塔吊结构不稳等危害，此时即可以通过在危害未发生之前就通过控制塔吊的吊运参数，尤其是速度控制方面的参数，来使物料的受影响程度降至安全区间，也就是通过预测和参数预调节来避免危害的发生，提高吊具和物料的稳定性。

在一种实施方式中，步骤200中当前偏摆状态获取模块具体通过以下步骤210至步骤240来得到吊运件当前的偏摆状态。

步骤210，基础姿态获取单元基于吊运件所处的当前吊运阶段获取吊运件的基础姿态。

若要得到吊运件受气流影响下的偏摆状态，则首先要获取到受风面积，而受风面积的获取需要先确定出吊运件在受气流影响前的姿态，也就是基础姿态。基础姿态就是吊运件未受到任何气流影响下的姿态，但由于在不同吊运阶段下的吊运件本身也会有姿态变化，因此基础姿态是基于当前吊运阶段确定的。

若当前吊运阶段为起升阶段或下降阶段或其他在水平方向上无移动量的吊运阶段，则吊运件的基础姿态即为平稳且无任何偏摆的姿态；若当前吊运阶段为转向阶段或变幅阶段或其他在水平方向上有移动量的吊运阶段，则吊运件的基础姿态为仅受吊运影响而产生的偏摆姿态，该偏摆姿态是已知的，可依据预先建立的吊运阶段与偏摆姿态的对应关系得到，例如预先记录下在各个吊运阶段下并且是无气流影响的情况下的吊运件偏摆状态，建立阶段-偏摆的映射关系，直接通过该映射关系得到吊运阶段的偏摆姿态。

步骤220，受风面积获取单元建立与所述受风风向垂直的扫掠平面，通过所述扫掠平面模型对所述基础姿态下的吊运件进行扫掠，将扫掠得到的最大截面面积作为受风面积。

得到基础姿态后，可以建立基础姿态下吊运件的模型，然后利用扫掠平面从吊运件模型的一端开始扫掠直至完全经过吊运件模型。具体请参阅图2和图3，图2中左侧为装载物料的正方体料箱模型100在空中吊运时的立体图，图中未示出钢索、吊钩等结构，假设当前的基础姿态为平稳姿态（无气流），且风向如图2右侧的箭头所示，风向与料箱模型100的体对角线上的两个顶点的连线相平行。风向传感器检测到该风向后，得到与风向垂直的扫掠平面，图2为扫掠平面在扫掠到料箱模型100的其中一个位置处时截取到的截面120，截面120同时经过料箱模型100的三个均与棱角110通过棱边相邻的棱角，图3中示出了对料箱模型100完成扫掠后得到的面积最大的截面130，截面130具体为一个正六边形，则以截面130的面积作为受风面积。

步骤230，气流推力计算单元基于所述受风风速和所述受风面积得到吊运件受气流的推力。

得到受风面积后，就可以结合受风风速计算吊运件受到的推力F，推力F具体可以通过以下公式计算：F=ρ*v2*s，其中ρ为空气密度，v为上一时刻的受风风速，s为受风面积。

步骤240，偏摆状态计算单元基于所述推力和所述吊运件的重量得到偏摆状态。

得到推力后，由于吊运件的总重量是已知的，其由吊具自身重量和物料重量相加得到。吊具发生偏摆的其中一种情况下的位置变化请参阅图4和图5，图4为上一时刻（t0时刻）的情况，图中料箱模型100处于起升阶段，受到图中向上箭头所示的拉力，同时还受到向左箭头所示的风力，图5为当前时刻（t1时刻）的情况，图中料箱由于受到向左箭头所指方向的气流的推力F推，并且受到钢索200的拉力F拉以及重力G，对料箱做自动受力分析后，得到关于偏摆角度θ1的计算公式：tan(θ1)= F推/mg，其中m为吊运件的总重量，g为重力加速度，偏摆方向则由合力的方向确定，由此得到当前的偏摆状态。由于处于起升阶段，因此不会受到塔吊施加的水平方向的力，因此偏摆方向只由受风风向决定，并被判定为与受风风向相同。

可以理解的是，还有可能是吊运件处于受到水平方向力的吊运阶段时受到气流影响，或者在持续受到气流影响时进入到了使吊运件受到水平方向力的吊运阶段，这两种情况下，吊运件除了会受到气流推力以外，还会受到钢索在水平方向的拉力，但关于吊运件的受力分析和偏摆状态的获取方式则是相同的，只是参与受力分析的力的大小和方向有所区别而已。

在一种实施方式中，步骤300中未来偏摆状态预测模块具体通过以下步骤310至步骤330实现基于所述气流状况的当前变化情况以及吊运阶段的阶段切换情况对吊运件的所述偏摆状态进行预测。

步骤310，信息获取单元获取所述气流状况变化后的受风风向和受风风速，以及获取一定时间后的阶段切换情况，其中，阶段切换情况包括无需启动切换、即将启动切换和正在切换。

气流状况变化后，受风风向可能发生变化，例如从朝向吊运件一侧变为朝向吊运件另一侧，也可能是从无风到有风或者从有风到无风，受风速度同理，可能是从大变小或者从小变大，以及从无速度到有速度或者从有速度到无速度。

阶段切换情况的三种情况中，无需启动切换指的是当前刚完成切换或距离到达切换位置还较远，因此在一定时间内不会发生切换，例如目标起吊高度为50米，目前只起升了10米，预计还需t1时间才能到达50米处，t1大于上述的一定时间t0；即将启动切换指的是距离到达切换位置较近，在一定时间内会启动切换，例如目标起吊高度为50米，目前已经起升了47米，预计还需t2时间就能到达50米处，t2小于上述的一定时间t0；正在切换指的是上一吊运阶段的执行机构刚停止运动且下一吊运阶段的执行机构还未启动的时刻。正在切换之后接着就又是无需启动切换，阶段切换情况在该三种情况中循环，直至不存在下一吊运阶段。

步骤320，受力计算单元得到吊运件在所述变化后的受风风向和受风风速下受到的推力及其方向，并得到吊运件在所述一定时间后的阶段切换情况下受到的牵引力及其方向。

推力的计算方式与步骤230中的推力计算公式相同，均为F=ρ*v2*s，只是其中的v为当前时刻的受风风速。

牵引力则是通过执行机构的动力、移动速度、摆长等参数得到，可通过试验等手段预先得知并记录，在实施本方法时直接依据记录的内容，将与当前执行机构的动力、移动速度、摆长等参数相对应的牵引力作为吊运件受到的牵引力即可。

步骤330，偏摆状态预测单元基于所述推力及其方向和所述牵引力及其方向预测吊运件的偏摆状态。

本步骤的偏摆状态预测与步骤240中计算当前偏摆状态的方式大致相同，都是采用受力分析的方式，区别在于本步骤的数据基础是当前时刻的气流状态而不是上一时刻的气流状态，以及采用了阶段切换情况而不是当前所处阶段状态。经过对推力、牵引力、重力等进行自动受力分析，算出偏摆角度θ，偏摆方向则由合力的方向确定。

在一种实施方式中，在步骤330中偏摆状态预测单元进行所述偏摆状态的预测时，还基于当前吊运阶段下执行机构所处的吊运速度段进行偏摆状态的预测，其中，所述吊运速度段包括加速段、匀速段、减速段和停止段。

每个吊运阶段通常都会包括起始加速过程、中间匀速过程、末尾减速过程和最终停止过程，因此将这四个预先确定好的过程分别称为加速段、匀速段、减速段和停止段。在同一吊运阶段下的不同速度段之间的切换也可会对偏摆状态产生影响，因此将速度变化纳入到偏摆状态预测的考虑范围内。具体的，所处的速度段不同，则受到的牵引力不同，因此其会与牵引力的大小相关，通过预先建立的速度段与牵引力大小的关系，即可依据所处的速度段来得到牵引力。

需要说明的是，该四个速度段与阶段切换情况并非完全相关，因此可以将速度段与阶段切换情况同时作为偏摆预测的考虑因素，例如无需启动切换可以对应加速段、匀速段和减速段中的前面部分，即将启动切换对应减速段的后面剩余部分。

在一种实施方式中，该方法还包括以下步骤A1至步骤A3。

步骤A1，朝向变化获取模块依据吊运任务中包含的吊运路线得到图像采集设备的朝向变化，其中，所述图像采集设备安装于吊运件或塔吊组件上，用于对吊运件进行图像采集。

由于塔吊上可能安装有例如摄像头等图像采集设备来监测吊运件的情况，例如在吊钩上安装摄像头并对准吊运件与钢索之间连接处，来监测钢索与吊运件之间是否连接稳定。由于吊运件的吊运路线是预先安排好的，而摄像头则通常直接朝向吊运件的目标位置处，因此从初始起吊至最终放置，摄像头的朝向也都是预先知道的，也就是朝向在吊运途中是如何变化的，这属于已知的。

步骤A2，相对位置获取模块基于环境中光源的位置得到光源与图像采集设备之间的相对位置。

光源指的是太阳或者探照灯等强光源，因为摄像头采集的图像中，目标位置会处于正中央，因此图像中会有大面积留白，例如摄像头对准料箱其中一个顶点处的吊环，则图中上半部分为背景，也就是地面背景，在太阳落山时或者地面有探照灯时，若直接将光源照射入图像中，则可能导致摄像头曝光过度，导致图片变暗难以识别，甚至损坏摄像头的感光元件。因此为了避免该情况发生，需要利用已知的朝向变化，以及吊运途中光源位置不变的特点，来得到光源与图像采集设备之间的相对位置是如何变化的。

步骤A3，朝向调节模块基于所述吊运件的预下调后的偏摆状态得到图像采集设备在所述朝向变化中的预测朝向，并基于所述预测朝向和所述相对位置调节图像采集设备的朝向，避免图像采集设备直接朝向光源。

在预测出吊运件受风偏摆后，虽然经过预调节来避免了超出超角阈值，但吊运件的偏摆状态毕竟还是发生了变化，因为调节的目的只是为了不超出超角阈值，而不是使偏摆角度保持原状始终不变，因此先获取到预下调后也就是下一时刻的偏摆状态（偏摆角度和偏摆方向），然后结合摄像头在当前吊运阶段的朝向（也就是朝向变化中当前位置处的应当朝向），得到附加了偏摆角度的朝向，因为偏摆角度的存在可能导致光源进入到摄像头的采集范围内，因此将附加了偏摆角度的朝向与步骤A2中的相对位置进行对比，若预测到下一时刻的附加了偏摆角度的朝向会导致光源进入采集范围内，则立即调整摄像头朝向，避开光源的位置，避免图像质量的降低和摄像头硬件的损坏。

下面参考图6详细描述本申请公开的用于智能塔吊的物料环境状况自动识别分析***实施例。本实施例是用于实施前述的物料环境状况自动识别分析方法实施例的***。

如图6所示，本实施例公开的***主要包括有：

气流状况采集模块，用于在吊运件的吊运过程中控制气流状况采集设备实时采集吊运件附近的气流状况，其中，所述气流状况包括受风风向和受风风速；

当前偏摆状态获取模块，用于基于吊运件的受风面积、上一时刻的所述气流状况以及当前吊运阶段得到吊运件当前的偏摆状态，其中所述偏摆状态包括偏摆方向和偏摆角度；

未来偏摆状态预测模块，用于基于所述气流状况的当前变化情况以及吊运阶段的阶段切换情况对吊运件的所述偏摆状态进行预测；

执行参数调整模块，用于在预测出的偏摆角度达到超角阈值时，对当前吊运阶段下执行机构的与吊运件预期运动相关的执行参数进行预下调至预测偏摆角度低于超角阈值，而在预测出的偏摆角度不大于微角阈值时，对当前吊运阶段下执行机构的与吊运件预期运动相关的执行参数进行在参数许可范围内的预上调。

在一种实施方式中，所述当前偏摆状态获取模块包括：

基础姿态获取单元，用于基于吊运件所处的当前吊运阶段获取吊运件的基础姿态；

受风面积获取单元，用于建立与所述受风风向垂直的扫掠平面，通过所述扫掠平面对所述基础姿态下的吊运件进行扫掠，将扫掠得到的最大截面面积作为受风面积；

气流推力计算单元，用于基于所述受风风速和所述受风面积得到吊运件受气流的推力；

偏摆状态计算单元，用于基于所述推力和所述吊运件的重量得到偏摆状态。

在一种实施方式中，所述未来偏摆状态预测模块，包括：

信息获取单元，用于获取所述气流状况变化后的受风风向和受风风速，以及获取一定时间后的阶段切换情况，其中，阶段切换情况包括无需启动切换、即将启动切换和正在切换；

受力计算单元，用于得到吊运件在所述变化后的受风风向和受风风速下受到的推力及其方向，并得到吊运件在所述一定时间后的阶段切换情况下受到的牵引力及其方向；

偏摆状态预测单元，用于基于所述推力及其方向和所述牵引力及其方向预测吊运件的偏摆状态。

在一种实施方式中，所述偏摆状态预测单元在进行所述偏摆状态的预测时，还基于当前吊运阶段下执行机构所处的吊运速度段进行偏摆状态的预测，其中，所述吊运速度段包括加速段、匀速段、减速段和停止段。

在一种实施方式中，该***还包括：

图像采集设备，安装于吊运件或塔吊组件上，用于对吊运件进行图像采集；

朝向变化获取模块，用于依据吊运任务中包含的吊运路线得到图像采集设备的朝向变化；

相对位置获取模块，用于基于环境中光源的位置得到光源与图像采集设备之间的相对位置；

朝向调节模块，用于基于所述吊运件的预下调后的偏摆状态得到图像采集设备在所述朝向变化中的预测朝向，并基于所述预测朝向和所述相对位置调节图像采集设备的朝向，避免图像采集设备直接朝向光源。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，均仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

本文中的模块、单元或组件的划分仅仅是一种逻辑功能的划分，在实际实现时可以有其他的划分方式，例如多个模块和/或单元可以结合或集成于另一个***中。作为分离部件说明的模块、单元、组件在物理上可以是分开的，也可以是不分开的。作为单元显示的部件可以是物理单元，也可以不是物理单元，即可以位于一个具体地方，也可以分布到网格单元中。因此可以根据实际需要选择其中的部分或全部的单元来实现实施例的方案。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种用于智能塔吊的物料环境状况自动识别分析方法，其特征在于，包括：

在吊运件的吊运过程中实时采集吊运件附近的气流状况，其中，所述气流状况包括受风风向和受风风速；

基于吊运件的受风面积、上一时刻的所述气流状况以及当前吊运阶段得到吊运件当前的偏摆状态，其中所述偏摆状态包括偏摆方向和偏摆角度；

基于所述气流状况的当前变化情况以及吊运阶段的阶段切换情况对吊运件的所述偏摆状态进行预测；

在预测出的偏摆角度达到超角阈值时，对当前吊运阶段下执行机构的与吊运件预期运动相关的执行参数进行预下调至预测偏摆角度低于超角阈值，而在预测出的偏摆角度不大于微角阈值时，对当前吊运阶段下执行机构的与吊运件预期运动相关的执行参数进行在参数许可范围内的预上调。

2.如权利要求1所述的物料环境状况自动识别分析方法，其特征在于，所述基于吊运件的受风面积、上一时刻的所述气流状况以及当前吊运阶段得到吊运件当前的偏摆状态，包括：

基于吊运件所处的当前吊运阶段获取吊运件的基础姿态；

建立与所述受风风向垂直的扫掠平面，通过所述扫掠平面对所述基础姿态下的吊运件进行扫掠，将扫掠得到的最大截面面积作为受风面积；

基于所述受风风速和所述受风面积得到吊运件受气流的推力；

基于所述推力和所述吊运件的重量得到偏摆状态。

3.如权利要求1所述的物料环境状况自动识别分析方法，其特征在于，所述基于所述气流状况的当前变化情况以及吊运阶段的阶段切换情况对吊运件的所述偏摆状态进行预测，包括：

获取所述气流状况变化后的受风风向和受风风速，以及获取一定时间后的阶段切换情况，其中，阶段切换情况包括无需启动切换、即将启动切换和正在切换；

得到吊运件在所述变化后的受风风向和受风风速下受到的推力及其方向，并得到吊运件在所述一定时间后的阶段切换情况下受到的牵引力及其方向；

基于所述推力及其方向和所述牵引力及其方向预测吊运件的偏摆状态。

4.如权利要求3所述的物料环境状况自动识别分析方法，其特征在于，在进行所述偏摆状态的预测时，还基于当前吊运阶段下执行机构所处的吊运速度段进行偏摆状态的预测，其中，所述吊运速度段包括加速段、匀速段、减速段和停止段。

5.如权利要求1所述的物料环境状况自动识别分析方法，其特征在于，该方法还包括：

依据吊运任务中包含的吊运路线得到图像采集设备的朝向变化，其中，所述图像采集设备安装于吊运件或塔吊组件上，用于对吊运件进行图像采集；

基于环境中光源的位置得到光源与图像采集设备之间的相对位置；

基于所述吊运件的预下调后的偏摆状态得到图像采集设备在所述朝向变化中的预测朝向，并基于所述预测朝向和所述相对位置调节图像采集设备的朝向，避免图像采集设备直接朝向光源。

6.一种用于智能塔吊的物料环境状况自动识别分析***，其特征在于，包括：

气流状况采集模块，用于在吊运件的吊运过程中控制气流状况采集设备实时采集吊运件附近的气流状况，其中，所述气流状况包括受风风向和受风风速；

当前偏摆状态获取模块，用于基于吊运件的受风面积、上一时刻的所述气流状况以及当前吊运阶段得到吊运件当前的偏摆状态，其中所述偏摆状态包括偏摆方向和偏摆角度；

未来偏摆状态预测模块，用于基于所述气流状况的当前变化情况以及吊运阶段的阶段切换情况对吊运件的所述偏摆状态进行预测；

执行参数调整模块，用于在预测出的偏摆角度达到超角阈值时，对当前吊运阶段下执行机构的与吊运件预期运动相关的执行参数进行预下调至预测偏摆角度低于超角阈值，而在预测出的偏摆角度不大于微角阈值时，对当前吊运阶段下执行机构的与吊运件预期运动相关的执行参数进行在参数许可范围内的预上调。

7.如权利要求6所述的物料环境状况自动识别分析***，其特征在于，所述当前偏摆状态获取模块包括：

基础姿态获取单元，用于基于吊运件所处的当前吊运阶段获取吊运件的基础姿态；

受风面积获取单元，用于建立与所述受风风向垂直的扫掠平面，通过所述扫掠平面对所述基础姿态下的吊运件进行扫掠，将扫掠得到的最大截面面积作为受风面积；

气流推力计算单元，用于基于所述受风风速和所述受风面积得到吊运件受气流的推力；

偏摆状态计算单元，用于基于所述推力和所述吊运件的重量得到偏摆状态。

8.如权利要求6所述的物料环境状况自动识别分析***，其特征在于，所述未来偏摆状态预测模块，包括：

信息获取单元，用于获取所述气流状况变化后的受风风向和受风风速，以及获取一定时间后的阶段切换情况，其中，阶段切换情况包括无需启动切换、即将启动切换和正在切换；

受力计算单元，用于得到吊运件在所述变化后的受风风向和受风风速下受到的推力及其方向，并得到吊运件在所述一定时间后的阶段切换情况下受到的牵引力及其方向；

偏摆状态预测单元，用于基于所述推力及其方向和所述牵引力及其方向预测吊运件的偏摆状态。

9.如权利要求8所述的物料环境状况自动识别分析***，其特征在于，所述偏摆状态预测单元在进行所述偏摆状态的预测时，还基于当前吊运阶段下执行机构所处的吊运速度段进行偏摆状态的预测，其中，所述吊运速度段包括加速段、匀速段、减速段和停止段。

10.如权利要求6所述的物料环境状况自动识别分析***，其特征在于，该***还包括：

图像采集设备，安装于吊运件或塔吊组件上，用于对吊运件进行图像采集；

朝向变化获取模块，用于依据吊运任务中包含的吊运路线得到图像采集设备的朝向变化；

相对位置获取模块，用于基于环境中光源的位置得到光源与图像采集设备之间的相对位置；

朝向调节模块，用于基于所述吊运件的预下调后的偏摆状态得到图像采集设备在所述朝向变化中的预测朝向，并基于所述预测朝向和所述相对位置调节图像采集设备的朝向，避免图像采集设备直接朝向光源。

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